結合射釘實驗與數值模擬對凝固進程精確預測研究

郝赳赳

（山西工程職業技術學院， 山西 太原 030009）

連鑄輕壓下是利用專門設備，通過可靠的鑄坯熱跟蹤模型，對鑄坯凝固末端合適區域在線實施一個合適的壓下量，用以抵消鑄坯凝固末端的體積收縮，避免中心縮孔（疏松）形成；抑制凝固收縮而引起的濃化鋼水流動與積聚，減輕中心宏觀偏析程度。因此，對鋼水在連鑄機內的凝固進程及凝固終點的準確預測是實施輕壓下工藝和保證壓下冶金效果穩定性的前提條件。

測定鑄坯坯殼厚度和液相穴終點的方法有很多種，如“坯殼穿孔法”、“板坯鼓肚法”、“元素放射示蹤法”以及“電磁超聲波法”等等。20世紀70年代初，日本三菱重工發明了用射釘法來檢測鑄坯坯殼厚度的實驗方法，并在鑄坯坯殼厚度的測試實驗中被廣泛采用。在對首鋼三煉鋼板坯連鑄液相穴末端的測定中就采用這種射釘的方法。此方法能準確預測局部凝固進程信息，但獲得的信息相對滯后。

對凝固進程的預測除了采用實驗方法外，還可以采用更為精確的方法——數值模擬方法，這也是動態輕壓下工藝所采用的方法。該方法能實時精確地預測全程的凝固信息，但需要通過實際生產驗證。

結合能精確預測局部凝固進程信息的射釘實驗方法和實時預測全部凝固進程的數值模擬方法，對大方坯凝固進程的準確性進行驗證，評價連鑄機綜合冷卻能力、優化二冷制度和凝固進程信息，為實施大方坯凝固末段輕壓下工藝提供合理的參考信息。

1 實驗及模型原理

1.1 射釘實驗原理

射釘法是通過火藥爆炸的推動力將作為示蹤材料的鋼釘擊入正在凝固的坯殼，然后在鑄坯相應位置取樣進行分析，以獲得當地坯殼厚度的信息。其中，射釘為普通碳素鋼，在釘子上加工有兩道含有硫化物的溝槽。

射釘法采用NKK公司Kawawa［1］等人提出的方法檢測射釘揭示的坯殼厚度，即含釘鑄坯試樣被刨至釘中心線后，將射釘及周邊區域分為未熔化擴散區、部分擴散區和完全熔化擴散區三個部分。在未熔化擴散區，射釘保持了其原有的外形，硫化物沒有擴散；在部分擴散區，雖然射釘周邊少部分硫化物熔化擴散，但內部組織與坯殼組織不同；在完全熔化擴散區，射釘完全熔化，硫化物充分擴散，內部已變為與坯殼相同的組織，見圖1。

圖1 射釘試樣的酸浸低倍照片

試驗方法：確定射釘位置→安裝射釘槍→記錄實驗時工況條件→計算擊發時間，擊發射釘釘槍射釘→切取含釘試樣→加工試樣→酸洗→測量凝固殼厚度。

1.2 數值模擬原理

依據能量守恒原理建立的熱傳導控制微分方程描述了連續介質內部的溫度分布。根據連鑄過程的特點，進行合理假設，建立鑄坯凝固的二維非穩態傳熱數學模型，采用運動坐標系的二維切片法，即用傳熱邊界條件的時間函數法來模擬拉坯過程的冷卻條件變化；并認為與拉速相比，可以忽略拉坯方向的傳熱；此外，依據幾何對稱性和物理場的對稱性要求，計算域通常取鑄坯1/4或1/8截面。切片在彎月面處產生，以拉坯速度向下移動，依次通過結晶器、二冷區和空冷區。

經過以上假設，鑄坯凝固的二維非穩態傳熱控制方程為：

式中，T為鑄坯表面溫度，℃；CP為鋼的定壓熱容，J/kg·℃；k為鋼的導熱系數，W/（m·℃）；t為時間，s；q為鋼的凝固潛熱，J/kg；在數值求解過程中采用合適時間步長可利用等效熱容法消去q，簡化控制方程。

公式（1）同時適用于鑄坯的液、固相、液固兩相區,但是在不同的相時,要用不同的熱物性參數來代替。為了簡化計算，計算所需參數均采用常數。詳細熱物性參數處理，見文獻［2，3］。本文所用鋼種熱物性參數見表1。

表1 鋼種熱物性參數

初始條件：t=0時，結晶器彎月面處鋼水溫度等于澆鑄溫度，即T（x，y，z）=Tc。

邊界條件：鑄坯中心可以認為中心對稱軸的絕熱邊界；微元體在不同的冷卻區鑄坯表面有不同的表面熱流qs。結晶器內采用第二類邊界條件；二冷區采用第三類邊界條件。邊界條件設定見圖2。

根據以上數學模型，采用顯格式有限差分法，根據圖2所示網格離散，對大方坯連鑄過程數學模型進行求解計算。相關離散原理、離散格式以及方程穩定性判定，見相關文獻［2，3］。

1.3 實驗方案

針對某廠大方坯連鑄機，在距離彎月面6.33 m和9.03 m處設置射釘槍。測試時待鑄機以預定拉速穩定工作一段時間以后，依次將射釘擊入鑄坯。鑄機的設備參數及冷卻工藝參數見表2。

圖2 鑄坯橫斷面方向邊界條件設定與網格離散示意圖

表2 鑄機設備參數及冷卻工藝參數

鑄坯完全冷卻后，采用火焰切割將鑄坯上有射釘的部位切成約100×100×200（mm）和100× 100×245（mm）的鋼塊，經刨床刨削后顯露出帶硫化鐵示蹤劑的鋼釘，后經磨床磨削，達到一定表面粗糙度，以不影響低倍情況下實驗觀察為宜。磨好后的試樣，用冷強酸進行酸洗2～3次，后用去離子水沖去表面殘留酸液，冷風吹干，測量。

2 結果分析及討論

2.1 射釘實驗結果

圖3給出了40CrA鋼種在拉速在1.2 m/min條件下，距彎月面6.33 m和9.03 m處得到的射釘試樣酸浸低倍照片。由圖3可知，6.03 m處射釘與40CrA基體材質非常相似造成試樣處理的困難，未能看出坯殼厚度。9.03 m處坯殼厚度為61.5 mm。

圖3 40CrA射釘實驗酸洗照片

圖4給出了GCr15鋼種在拉速在1.2 m/min條件下，距彎月面6.33 m和9.03 m處得到的射釘試樣酸浸低倍照片。由圖4可知，6.33 m處鑄坯凝固坯殼厚度為42.5 mm；而9.03 m處的凝固坯殼厚度為60.5 mm。

圖4 GCr15射釘實驗酸洗照片

2.2 數學模型的驗證

針對上面實際工況條件，結合連鑄機實際設備參數，利用大方坯連鑄二冷優化配水系統［3-5］對鑄坯的溫度場和凝固進程進行了計算分析。圖5給出40CrA和GCr15兩個鋼種溫度場和凝固進程計算結果和射釘實驗結果。

計算結果與射釘實驗計算結果非常吻合，二者最大差值為5.5 mm，考慮到射釘實驗的精度，則數值模擬能精確的預測凝固進程。

圖5 兩鋼種溫度場分布及凝固進程對比

3 結論

（1）射釘法可以有效地檢測板坯凝固坯殼厚度，該方法簡單可靠，適用性較強，其測量結果可以作為校驗現場實際控制和二冷模型精度的依據。

（2）二冷控制模型的可靠性不僅取決于模型本身的精度，也取決于對現場冷卻條件與設備狀態的合理描述；在設備狀態穩定，二冷噴淋狀態滿足設計要求的條件下，二冷數學模型的可靠性能夠滿足連鑄過程輕壓下控制的要求。

［1］ Kawawa T，Sato H.Determination of Solidifying Sbell Thickness of Continuous Cast Slab by Rivet Pin Shooting［J］.Testsu-to-Hagane，1974，60：204-2l6.

［2］ 趙江晨.連鑄二冷動態控制與監測技術研究［D］.北京：北京科技大學,2004.

［3］ 錢宏智，張家泉，王東柱，崔立新，等.連鑄二冷配水模型可靠性的研究［C］.北京：中國金屬學會連續鑄鋼分會主辦.連鑄二次冷卻技術交流會論文集.2005：11.

［4］ 武小林.安陽鋼鐵公司二煉鋼廠4號板坯連鑄機二冷配水數學模型及其求解［D］.北京：北京科技大學,1998.

［5］ 王東柱，張家泉，錢宏智.影響連鑄二冷效果的若干因素分析［C］.北京：中國金屬學會連續鑄鋼分會主辦.連鑄二次冷卻技術交流會論文集，2005:11.